潘建偉: 百年量子，量子信息方興未艾

中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉，從親歷者的角度，介紹量子信息學(xué)及其發(fā)展趨勢(shì)。

第二次量子革命

上世紀(jì)初建立的量子力學(xué)是人類歷史上最偉大的科學(xué)革命之一。百年來，隨著量子力學(xué)的建立而催生的第一次量子革命，帶來了原子能、半導(dǎo)體、激光、核磁共振、超導(dǎo)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等重大技術(shù)的發(fā)明，從根本上改變了人類的生活方式和社會(huì)面貌。也許，它對(duì)于公眾來說非常陌生，但是它其實(shí)已經(jīng)深深融入了現(xiàn)代人的生活。自上世紀(jì)九十年代以來，量子調(diào)控技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，人們可以深入微觀世界內(nèi)部，操作微觀粒子的量子狀態(tài)。于是，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技迅猛發(fā)展，這就是第二次量子革命的興起。

很榮幸的是，我的學(xué)習(xí)和科研經(jīng)歷，讓我作為親歷者，見證和參與了第二次量子革命的興起和發(fā)展。

▲法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)物理學(xué)家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)物理學(xué)家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?cè)凇坝眉m纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、確立貝爾不等式的違背以及開創(chuàng)量子信息科學(xué)”的卓越成就。值得指出的是，我國(guó)近年來在量子科技領(lǐng)域取得的一系列重要突破，為推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)而得到國(guó)際廣泛重視做出了突出貢獻(xiàn)，在2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)和“科學(xué)背景介紹”中都著重介紹了“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星等由我國(guó)學(xué)者完成的重要成果。

▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)

事實(shí)上，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的故事就是第二次量子革命興起和發(fā)展的縮影——在開展貝爾不等式實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等量子物理基礎(chǔ)研究的過程中，人們逐步掌握了對(duì)于光子、原子等微觀粒子的量子行為進(jìn)行主動(dòng)精確操縱的能力，進(jìn)而可以利用量子狀態(tài)對(duì)信息進(jìn)行編碼、傳輸和處理，催生了量子信息科學(xué)。

三位獲獎(jiǎng)人——阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·蔡林格是第二次量子革命的重要先驅(qū)，他們開展了早期的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，成功制備了多粒子糾纏態(tài)，發(fā)展的多光子干涉度量學(xué)推動(dòng)了光量子信息的處理等量子信息實(shí)驗(yàn)研究。安東·蔡林格是我的博士生導(dǎo)師，在他的研究團(tuán)隊(duì)里，我非常幸運(yùn)參與了開創(chuàng)量子信息實(shí)驗(yàn)研究的歷史過程。

回國(guó)后，我和我的同事、學(xué)生們獨(dú)立開展量子信息科學(xué)的研究。我國(guó)科學(xué)家們?cè)诹孔有畔㈩I(lǐng)域的重大成果，尤其是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的成功實(shí)施，推動(dòng)了該領(lǐng)域得到國(guó)際學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及政府的高度重視。

什么是量子信息科學(xué)

量子信息科學(xué)包括量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量三方面應(yīng)用，在保障信息傳輸安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度等方面，可以突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。量子信息科學(xué)將成為信息、能源、材料和生命等領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新的源泉，為保障國(guó)家安全和支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供核心戰(zhàn)略力量。我很高興地看到，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技正在不斷形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)革命性的科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。該領(lǐng)域的迅猛發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。

簡(jiǎn)單來說，量子信息科學(xué)三個(gè)方面的研究和應(yīng)用分別有著各自的使命和藍(lán)圖：

（一）**量子通信：**量子通信是利用量子比特作為信息載體來進(jìn)行信息交互的通信技術(shù)。量子通信有兩種最典型的應(yīng)用，分別是量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。量子密鑰分發(fā)是指利用量子態(tài)來加載信息，通過一定的協(xié)議在遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的通信雙方共享密鑰。量子力學(xué)基本原理保證了密鑰的不可竊聽，從而可在原理上實(shí)現(xiàn)無條件安全的量子保密通信。量子隱形傳態(tài)是指利用量子糾纏來直接傳輸微觀粒子的量子狀態(tài)（即量子信息），而不用傳輸這個(gè)微觀粒子本身。量子隱形傳態(tài)可以連接量子信息處理單元來構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)所需的量子中繼的重要環(huán)節(jié)，因此國(guó)際學(xué)術(shù)界將量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)統(tǒng)稱為量子通信。量子密鑰分發(fā)是最先走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的量子信息技術(shù)。

量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，具體發(fā)展路線為：利用光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器鏈接鄰近兩個(gè)城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)鏈接遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

（二）**量子計(jì)算：**量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的疊加原理所展開的全新計(jì)算模式，它提供了一種從根本上實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的思路，具備極大超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的潛力，可為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、資源勘探、藥物設(shè)計(jì)等所需的大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。量子計(jì)算機(jī)一旦研制成功，將對(duì)基于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典信息安全體系帶來巨大沖擊；而值得一提的是，量子保密通信的安全性基于物理學(xué)原理，與計(jì)算復(fù)雜度無關(guān)，即使是量子計(jì)算機(jī)也無法破解。

量子計(jì)算研究的核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)多量子比特的相干操縱。根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國(guó)際學(xué)術(shù)界設(shè)定了如下三個(gè)“里程碑”：第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，達(dá)到這一里程碑需要約50個(gè)量子比特的相干操縱。第二步是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，為特定領(lǐng)域提供初步算力服務(wù)。達(dá)到這一里程碑需要實(shí)現(xiàn)千量子比特的相干操縱和高精度量子邏輯門，這也是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。第三步是在量子糾錯(cuò)的輔助下實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少需達(dá)到數(shù)百萬個(gè)量子比特，能在密碼分析、新材料設(shè)計(jì)、氣象預(yù)報(bào)、生物制藥等方面發(fā)揮巨大作用。由于技術(shù)上的難度，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)仍需10至15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

（三）**量子精密測(cè)量：**量子精密測(cè)量是利用量子狀態(tài)對(duì)環(huán)境的高度敏感，可以對(duì)時(shí)間、位置、加速度、電磁場(chǎng)等物理量實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的精密測(cè)量。量子精密測(cè)量的主要應(yīng)用包括高精度光頻標(biāo)與時(shí)間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導(dǎo)航技術(shù)，量子雷達(dá)、痕量原子示蹤、弱磁場(chǎng)探測(cè)等量子靈敏探測(cè)技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值已比較明朗，將在慣性導(dǎo)航、下一代時(shí)間基準(zhǔn)、隱身目標(biāo)識(shí)別、全球地形測(cè)繪、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、物理學(xué)基本問題等廣泛領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。2018年第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過決議，從2019年開始實(shí)施新的國(guó)際單位定義，從實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著精密測(cè)量開始進(jìn)入量子時(shí)代。

我國(guó)量子信息科技成就斐然

經(jīng)過20余年的努力，我國(guó)量子科技領(lǐng)域整體上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟蹤、并跑到部分領(lǐng)跑的飛躍?？傮w而言，我國(guó)在量子通信的研究和應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，在量子計(jì)算方面處于國(guó)際第一方陣，在量子精密測(cè)量部分方向上處于國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。在量子通信領(lǐng)域，我國(guó)的城域城際量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已初步滿足實(shí)用化要求，總里程超過10000公里的國(guó)家量子骨干網(wǎng)已全線貫通，覆蓋京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳、成渝等重要區(qū)域。在衛(wèi)星量子通信方面，我國(guó)研制并成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了星地量子通信。隨后，我國(guó)發(fā)射了世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”，為構(gòu)建低成本、實(shí)用化的量子星座奠定基礎(chǔ)。衛(wèi)星地面接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可支持移動(dòng)通信。

▲未來天地一體量子通信網(wǎng)絡(luò)

在量子計(jì)算領(lǐng)域，我國(guó)目前是唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種物理體系都達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家，牢固確立了國(guó)際量子計(jì)算研究第一方陣的地位。我國(guó)構(gòu)建的76光子光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，在國(guó)際上首次在光量子體系實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑。最新的“九章三號(hào)”實(shí)現(xiàn)了255光子的相干操控，反超加拿大量子計(jì)算公司Xanadu，再度成為光量子計(jì)算的世界第一。在超導(dǎo)量子體系，我國(guó)先后構(gòu)建了62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”和66比特的“祖沖之二號(hào)”，在超導(dǎo)量子體系實(shí)現(xiàn)**“量子計(jì)算優(yōu)越性”**。

▲九章三號(hào)（左圖）與祖沖之二號(hào)（右圖）

在量子精密測(cè)量領(lǐng)域，我國(guó)首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)的自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)，頻率傳遞萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-19，達(dá)到國(guó)際最優(yōu)水平；我國(guó)研制的高精度光鐘，其穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于5×10-18**（相當(dāng)于70億年的誤差不超過一秒）**，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在量子導(dǎo)航方面，我國(guó)研制成功的原子自旋陀螺原理樣機(jī)，指標(biāo)與國(guó)外公開報(bào)道的最高指標(biāo)相當(dāng)；可移動(dòng)原子重力儀精度已接近國(guó)際一流水平，小型移動(dòng)式冷原子重力儀達(dá)到了目前國(guó)際上野外連續(xù)重力觀測(cè)的最好水平。在單量子靈敏探測(cè)方向，我國(guó)研究人員在量子激光雷達(dá)、痕量原子示蹤、單分子表征、磁場(chǎng)精密探測(cè)等若干方向上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。

構(gòu)造讓量子信息科技，健康發(fā)展的良性環(huán)境

當(dāng)前，量子信息正在逐步從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，其戰(zhàn)略價(jià)值日益顯現(xiàn)，這使其進(jìn)一步成為政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)資本共同重視、大力投入的熱點(diǎn)，同時(shí)，它對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響也引起了公眾的普遍關(guān)心。隨著國(guó)家的重視和廣大科技工作者的普及，“量子”時(shí)常成為網(wǎng)絡(luò)熱詞。對(duì)于這樣的情況，我們需要辯證地看，既要保持樂觀，又要謹(jǐn)慎對(duì)待。

樂觀的是，得到公眾的關(guān)注，是一個(gè)新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的前提條件。但嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乜?，量子信息的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化整體上仍然處于早期階段，各方向發(fā)展階段并不平衡，實(shí)用化程度不一，需要支持和關(guān)注的重點(diǎn)各有不同。

例如，量子保密通信是最先進(jìn)入實(shí)用化階段、發(fā)展最為成熟的量子信息技術(shù)，當(dāng)前正是加強(qiáng)應(yīng)用推廣，推動(dòng)構(gòu)建我國(guó)自主的信息安全體系、形成比較優(yōu)勢(shì)的良好時(shí)機(jī)。

又如量子計(jì)算，目前仍處于科學(xué)探索的階段，**所有量子計(jì)算原型機(jī)的硬件性能離解決有價(jià)值的實(shí)際問題都還存在相當(dāng)?shù)牟罹唷?*當(dāng)前和未來一段時(shí)期內(nèi)，量子計(jì)算研究的核心任務(wù)集中在物理實(shí)現(xiàn)方面，需要解決量子比特的規(guī)模和量子糾錯(cuò)兩大難題，這是學(xué)術(shù)界的普遍共識(shí)。然而，國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)和研究人員，卻對(duì)量子計(jì)算的應(yīng)用進(jìn)行不切實(shí)際的夸大宣傳，并借以從資本市場(chǎng)套利。虛假宣傳和炒作在短期內(nèi)引發(fā)了對(duì)于量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化的過度關(guān)注和不切實(shí)際的期待，從長(zhǎng)期看，則會(huì)導(dǎo)致信任危機(jī)、政府和社會(huì)投入斷崖式下跌、人才隊(duì)伍渙散等一系列惡果，給該領(lǐng)域的發(fā)展造成嚴(yán)重沖擊。

此外，市場(chǎng)上不時(shí)出現(xiàn)的諸如“量子掛墜”、“量子鞋墊”、“量子能量水”之類，則純粹是打著“量子”旗號(hào)的虛假產(chǎn)品，與量子科技毫無關(guān)系。對(duì)于這類虛假產(chǎn)品，需要予以嚴(yán)厲杜絕。

對(duì)于前沿領(lǐng)域來說，其創(chuàng)新性必然意味著某種信息壁壘，自然也就為炒作留下了空間。正因如此，專業(yè)人士首先有責(zé)任開展嚴(yán)謹(jǐn)、必要的科技傳播，盡量消除信息壁壘，幫助公眾構(gòu)建對(duì)量子科技健康、合理的期待。政府機(jī)構(gòu)和公眾也應(yīng)當(dāng)更多地依賴和信任科學(xué)共同體的共識(shí)，避免對(duì)于“黑科技”的過度擔(dān)憂。只有在各方的共同努力下，才能建立良性的輿論場(chǎng)和互動(dòng)關(guān)系，促進(jìn)前沿領(lǐng)域的健康發(fā)展。只有健康、穩(wěn)定的土壤，才能結(jié)出飽滿豐碩的果實(shí)。